惠志文，陳東雷，程宏輝，劉晶晶，張明軒，繆 宏

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

儲(chǔ)氫合金的吸放氫性能測(cè)試需要在恒定的溫度條件下進(jìn)行，正確有效的檢測(cè)手段以及對(duì)樣品溫度的把控，對(duì)于提高測(cè)試的準(zhǔn)確度至關(guān)重要[1]。但儲(chǔ)氫合金與氫反應(yīng)以及金屬氫化物分解時(shí)會(huì)釋放和吸收熱量，導(dǎo)致恒溫不穩(wěn)定，且溫控裝置并非理想絕熱狀態(tài)，其控制的電阻爐溫度與樣品溫度存在偏差，都將對(duì)恒定溫度和測(cè)試曲線的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。同時(shí)手動(dòng)調(diào)控儀表還存在操作復(fù)雜、無(wú)法了解溫度變化狀態(tài)等問(wèn)題。

LabVIEW 是美國(guó)National Instruments 公司創(chuàng)立的一種功能強(qiáng)大的軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具[2?3]，它用圖形化的語(yǔ)言表達(dá)程序過(guò)程，可以靈活快速地架構(gòu)功能模塊，且高度集成各種通信協(xié)議，具有編程效率高、成型周期短的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、自動(dòng)化測(cè)試等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為此，本文基于LabVIEW 開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)溫控模塊，用于解決上述問(wèn)題。

1 溫控模塊總體設(shè)計(jì)

溫控模塊原理如圖1 所示。通過(guò)AI?518P 溫控器內(nèi)部測(cè)量模塊，將安裝在電阻爐內(nèi)的K 型熱電偶輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成溫度值，建立RS 485 通信與PC 機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸[4?6]，溫度數(shù)據(jù)在LabVIEW 軟件中進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；根據(jù)軟件給定的參數(shù)，借助RS 485 通信向溫控器發(fā)送指令，接收指令后的溫控器采用APID 控制算法，輸出30 mA 的電流驅(qū)動(dòng)SSR 固態(tài)繼電器，通過(guò)控制固態(tài)繼電器的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的閉環(huán)控制[7]。樣品室安裝于電阻爐的爐膛內(nèi)通過(guò)熱量傳遞實(shí)現(xiàn)恒溫，PT100 鉑電阻測(cè)量樣品溫度，溫度變送器將鉑電阻采集的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的電流信號(hào)，并采用模擬通道差分電流傳至數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換傳至PC 機(jī)，LabVIEW 軟件實(shí)時(shí)顯示樣品溫度，并根據(jù)樣品與目標(biāo)溫度的偏差自動(dòng)調(diào)控溫控器進(jìn)行對(duì)樣品溫度的補(bǔ)償。

圖1 溫控模塊原理圖

圖2 為溫度傳感器、樣品室與電阻爐之間的位置關(guān)系圖。電阻爐為可開(kāi)合的兩半圓柱，樣品室圓柱型腔體底部放置測(cè)試樣品，腔體置于碳化硅爐膛內(nèi)，爐膛開(kāi)口比腔體大1 mm，保證了傳熱狀態(tài)的穩(wěn)定；電阻爐側(cè)面圓孔插入K 型熱電偶，與爐膛貼合，其靈敏度高、穩(wěn)定性好，能夠快速且準(zhǔn)確地感應(yīng)爐內(nèi)溫度變化；樣品室腔體底部的圓孔內(nèi)插入PT100 鉑電阻，其精度高，與測(cè)試樣品之間的距離僅為4 mm，保證待測(cè)樣品溫度的精度。

圖2 溫度傳感器、樣品室與電阻爐之間的位置關(guān)系

2 LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)

溫控模塊的軟件設(shè)計(jì)如圖3 所示。軟件可設(shè)置3 個(gè)不同速率的溫度控制區(qū)，圖像顯示電阻爐和樣品近3 min 的溫度變化規(guī)律，Run、Hold、Stop 等按鍵控制電阻爐的運(yùn)行狀態(tài)，自調(diào)/鎖定按鈕控制是否進(jìn)行樣品溫度偏差的自動(dòng)補(bǔ)償，修正值為調(diào)整的數(shù)值，若程序段為鎖定狀態(tài)，可進(jìn)行人工微調(diào)。為了方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的比較和分析，程序以日期為名創(chuàng)建txt 格式的文檔將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至指定路徑。軟件具體流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 溫控應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計(jì)

PC 機(jī)與溫控器的數(shù)據(jù)交互采用AIBUS 通信協(xié)議，通信方式為異步串行通信，數(shù)據(jù)格式為1 個(gè)起始位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，2 個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位，傳輸數(shù)據(jù)的波特率為9 600 b/s。通信指令分為寫(xiě)指令和讀指令，寫(xiě)指令的數(shù)據(jù)幀格式為：溫控器地址碼+0x43+參數(shù)代號(hào)碼+參數(shù)值低字節(jié)+高字節(jié)+校驗(yàn)碼，校驗(yàn)碼計(jì)算方法為：參數(shù)代號(hào)碼×256+67+參數(shù)值+Addr；讀指令的數(shù)據(jù)幀格式為：溫控器地址碼+0x52+參數(shù)代號(hào)碼+00+00+校驗(yàn)碼，校驗(yàn)碼計(jì)算方法為：參數(shù)代號(hào)碼×256+82+Addr。數(shù)據(jù)幀格式中的代碼采用十六進(jìn)制，溫控器地址碼為2 個(gè)相同的字節(jié)（溫控器地址參數(shù)Addr 與0x80 的和），本次實(shí)驗(yàn)的溫控器地址參數(shù)為1，常用參數(shù)代號(hào)如表1 所示。

表1 AIBUS 通信協(xié)議參數(shù)代號(hào)

校驗(yàn)碼中參數(shù)計(jì)算采用十進(jìn)制，計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制字節(jié)，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。溫控器采用指令應(yīng)答的通信方式，每一個(gè)指令幀對(duì)應(yīng)一個(gè)應(yīng)答幀，應(yīng)答幀數(shù)據(jù)代表測(cè)量溫度的低字節(jié)和高字節(jié)+給定值低字節(jié)和高字節(jié)+輸出值+報(bào)警狀態(tài)+所讀值低字節(jié)和高字節(jié)+校驗(yàn)碼。對(duì)于控制命令Run、Stop、Hold 的高低字節(jié)以及寫(xiě)指令代碼的設(shè)定如表2 所示。

表2 控制信號(hào)字節(jié)及指令代碼

數(shù)據(jù)通信依靠LabVIEW 軟件中VISA（Virtual Instrument Software Architecture）函數(shù)庫(kù)[8?9]，VISA 是一種效率極高的編程應(yīng)用接口，用于和不同標(biāo)準(zhǔn)的I/O 儀器間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，VISA 本身并不支持編程，而是為相關(guān)儀器提供了標(biāo)準(zhǔn)的API，通過(guò)調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)儀器的控制。VISA 主要函數(shù)功能如表3 所示。

表3 VISA 函數(shù)功能

圖4為串口通信的程序框圖，包括串口配置、指令發(fā)送、數(shù)據(jù)讀取與解析、限幅濾波等部分。程序框架由While 循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)和平鋪式順序結(jié)構(gòu)組成，開(kāi)始通信時(shí)，利用枚舉常量進(jìn)入條件結(jié)構(gòu)的“初始化”項(xiàng)，通過(guò)發(fā)送step 等于1 信號(hào)，將溫控器運(yùn)行階段還原成階段一；然后將枚舉常量存儲(chǔ)至While 循環(huán)的位移寄存器中，在下一次循環(huán)中進(jìn)入條件結(jié)構(gòu)的“數(shù)據(jù)傳遞”項(xiàng)，通過(guò)發(fā)送運(yùn)行階段和模塊控制讀取指令，實(shí)時(shí)了解模塊當(dāng)前狀態(tài)；隨后當(dāng)置于事件結(jié)構(gòu)中參數(shù)數(shù)據(jù)以及模塊控制寫(xiě)指令的值改變時(shí)，觸發(fā)信號(hào)發(fā)送，若沒(méi)有改變，則溫控器會(huì)依照當(dāng)前參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行；接著讀取該循環(huán)中的應(yīng)答幀數(shù)據(jù)，截取需要的字節(jié)數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)化；最后通過(guò)While 循環(huán)結(jié)構(gòu)循環(huán)“數(shù)據(jù)傳遞”項(xiàng)，保證采集數(shù)據(jù)的連續(xù)。

圖4 串口通信程序框圖

2.2 溫度補(bǔ)償程序設(shè)計(jì)

軟件采用間歇補(bǔ)償?shù)姆绞絒10]，即首先將電阻爐升溫至設(shè)定溫度，測(cè)定樣品的平衡溫度，若目標(biāo)溫度與樣品平衡溫度的偏差大于設(shè)定的偏差極限，則計(jì)算得到修正溫度，將修正溫度與設(shè)定溫度相加作為終止值對(duì)控溫參數(shù)進(jìn)行更正，依靠溫控器對(duì)電阻爐溫度的調(diào)整實(shí)現(xiàn)樣品溫度偏差的補(bǔ)償，完成參數(shù)修正后等待4 min，給予充分的補(bǔ)償時(shí)間，待樣品溫度穩(wěn)定后再繼續(xù)補(bǔ)償，通過(guò)連續(xù)循環(huán)此過(guò)程以減少儲(chǔ)氫材料吸放熱而導(dǎo)致的溫度偏差。溫度參數(shù)補(bǔ)償修正的計(jì)算公式如下：

式中：Ta指設(shè)置的目標(biāo)溫度，單位為℃；Tsi指第i次修正時(shí)樣品的溫度，單位為℃；Tci指第i次修正后電阻爐的設(shè)定溫度，單位為℃；N指修正次數(shù)。

溫控和性能測(cè)試程序?yàn)橄嗷オ?dú)立的VI，但均需根據(jù)樣品溫度進(jìn)行相關(guān)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，測(cè)試程序依靠DAQmx 函數(shù)采集[11]，通過(guò)在該程序中利用全局變量創(chuàng)建有前面板無(wú)程序框圖的特殊VI，實(shí)現(xiàn)溫控程序?qū)悠窚囟葦?shù)據(jù)的追蹤。溫度補(bǔ)償程序框圖如圖5 所示，整體框架采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式，將溫度采集和判定補(bǔ)償分開(kāi)處理。圖像屬性節(jié)點(diǎn)篩選出最大值與最小值，當(dāng)波動(dòng)范圍小于等于穩(wěn)定條件，認(rèn)定樣品溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；此時(shí)，根據(jù)當(dāng)前段序判定模塊的恒溫階段，當(dāng)樣品溫度與目標(biāo)溫度的偏差大于偏差修正條件時(shí)，對(duì)該階段的溫度參數(shù)進(jìn)行修正計(jì)算，補(bǔ)償值通過(guò)數(shù)值節(jié)點(diǎn)屬性的值信號(hào)觸發(fā)參數(shù)寫(xiě)指令的事件結(jié)構(gòu)。

圖5 溫度補(bǔ)償程序框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證了模塊運(yùn)行的可靠性，進(jìn)行控溫實(shí)驗(yàn)以及LaNi5儲(chǔ)氫合金在60 ℃下的PCT 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)[12]。首先對(duì)模塊進(jìn)行3個(gè)階段的控溫：階段一，電阻爐從26.5 ℃開(kāi)始升溫，經(jīng)過(guò)15 min 升溫至90 ℃；階段二，恒溫90 ℃保持30 min；階段三，從90 ℃降溫，經(jīng)過(guò)45 min 降溫至60 ℃。圖6 為電阻爐溫度曲線，根據(jù)溫度控制存在滯后性的特點(diǎn)，其控溫時(shí)間與設(shè)置時(shí)間有一定的偏差，但控制溫度與設(shè)定溫度相同，基本滿(mǎn)足控溫要求。

圖6 電阻爐溫度控制曲線

表4 為L(zhǎng)aNi5儲(chǔ)氫合金進(jìn)行PCT 測(cè)試采用原溫控模塊與現(xiàn)溫控模塊恒溫60 ℃時(shí)，所得數(shù)據(jù)中的樣品溫度對(duì)比。從表中可知，采用現(xiàn)模塊進(jìn)行調(diào)控后，恒溫偏差保持在±0.2 ℃內(nèi)，且溫度更接近目標(biāo)溫度，具有良好的恒溫效果。

表4 PCT 測(cè)試溫度對(duì)比 ℃

4 結(jié) 論

在測(cè)試設(shè)備原有的溫控裝置基礎(chǔ)上，通過(guò)添加RS 485 串口通信等硬件，借助LabVIEW 的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫控模塊的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置以及溫度偏差的自動(dòng)調(diào)整。設(shè)計(jì)的溫控模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、界面友好、操作方便、圖像直觀、控制穩(wěn)定，為提高儲(chǔ)氫材料PCT 測(cè)試曲線精度奠定了基礎(chǔ)，具有良好的應(yīng)用性。

注：本文通訊作者為程宏輝。